Virgo Collaboration: partecipazione allo sviluppo della rete di rivelatori

interferometrici di onde gravitazionali

G.A.Prodi per il Gruppo Virgo Padova-Trento

Consiglio di Sezione di Padova, 9 Aprile 2009

Indice

• Rivelatori interferometrici• Network di rivelatori• Attivita’ del gruppo Virgo PD-TN• Advanced Virgo• Partecipazione alla realizzazione di Advanced Virgo

Partecipanti

Staff: Prodi 60%, Vedovato 60%, Taffarello 30%

Borsisti: V.Re 100%, N.Liguori 50%

Dottorando: M. Drago 100%

Supporto tecnologi e tecnici TN e PD da definire.

VIRGO

VIRGO at EGO Site

• LAPP – Annecy

• NIKHEF – Amsterdam

• GPG - Birmingham

• RMKI - Budapest

• INFN – Firenze-Urbino

• INFN – Frascati

• INFN – Genoa

• LMA – Lyon

• INFN – Napoli

• OCA - Nice

• LAL – Orsay

• APC – Paris

• INFN – Padova-Trento

• INFN – Perugia

• INFN – Pisa

• INFN – Roma 1

• INFN – Roma 2

• POLGRAV – Warsav

V

V

V

Manpower: 100 physicists, 100 technicalOverall cost: 76 MEuro INFN-CNRS + 15 MEuro INFN for site preparation

G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 20084

Detection Principle

Figure: M.Lorenzini

LL

L/L < 10 -21

Expected from astronomical sources(audio band)

Effect of a sinusoidal gravitational wave going through the slide on the space-time frame and on a circular distribution of free masses

G.Prodi, Experimental Workshop, Dipartimento di Fisica, UniTN, 9 maggio 20085

Operating Detectors

Two detectors fully developed:Resonant Masses Interferometers

Figure: S. Reid

Controlli attivi mantengono • in risonanza (10-12 m rms) • allineate (10-9 rad rms)le cavità Fabry-Perot dei bracci e la cavita’ di power recycling

1 kW20 kW

20 kW

7 W

Power

The noise sources

Padova , Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma

Curva di sensibilità

Thermal Shot

Seismic

Noise Budget

2e-19m / Hz

Network of interferometers

TAMA

600 m

300 m

4 & 2 km

4 km

3 km

Agreement between LIGO Scientific Collaboration & Virgo for:common data analysis, joint observations, plan of advanced detectors

TAMA 300

AURIGA NAUTILUS EXPLORER

GEO600

LIGO

VIRGO

Virgo

VIRGO+ & eLIGO+ 2010

Advanced Network

2014

VIRGO & LIGO 2007

NS-NS NS-BH BH-BH

Event Rate 3/yr - 4/day 1/yr - 6/day 3/month - 30/day Range (Mpc) 300 750 z=0.45

Science case for next generation detectors:

Reconstruction of wavefront to pinpoint the source

measure signal parameterspolarization amplitude and waveforms

Virgo role in the network

False alarm rejection by requirng coherence at distant sites

Longer observation time, better sky coverage

• only detector of comparable sensitivity improve the network• the LIGOs are built as parallel as possible: incomplete GW information

Virgo is necessary to make astrophysics

Attività di ricerca del gruppo Virgo PD-TN

Analisi dati fatto: ricerca di onde gravitazionali transienti nella banda di alta

frequenza (2-6 kHz) durante la prima osservazione congiunta LIGO-Virgo (2007)

• in corso: sviluppo di pipeline di analisi per la ricostruzione del segnale (direzione sorgente, forme d’onda, polarizzazioni)

prossimo: ricerca di segnali transienti su tutta la banda 60 Hz – 6 kHz prossima osservazione congiunta eLIGO Virgo+ (2009-2011)

Hardware• in corso: R&D dissipazioni meccaniche di campioni di specchi e

modellazione numerica. Finanziamento PRIN 2007, contiguo ad attivita’ DUAL R&D.

proposta: realizzazione di sottosistemi per Advanced Virgo. E’ una richiesta della Collaborazione Virgo alla nostra unita’.

PD-TN search for GW bursts

PD-TN search for short transient grav. waves (<1 s duration) in the 1.3-6kHz band:• Virgo and LIGO have similar sensitivities • Targetting lower mass astrophysical sources NS instabilities, NS-NS mergers, SN, BH ring-down and BH-BH merger < 8 MSUN

H1, H2, L1, V1

F. Salemi, 18 December '08 – Maryland LSC/Virgo Meeting

High Freq. null result

S5Y1, 2005-6 S5Y2/VSR1,2006-7

Combined2005-7

SG1451Hz Q9

SG5000Hz Q9

No calibration systematics taken into account here

PRELIMINARYUPPER LIMITSpaper in preparation

Reconstruction of GW signal parameters

R&D on algorithms to set sky error regions

PRELIMINARY

Angolo di errore, deg

Distribuzione cumulativa

R&D dissipazioni di specchi

• Le prestazioni di Advanced Virgo saranno limitate nella banda di massima sensibilità (40-400 Hz) dal rumore termico dovuto al coating degli specchi

L’R&D finanziato PRIN2007 ha come obiettivi :• comparazione fra procedure di coating• Studio del bonding fra specchio e sospensione.

I risultati probabilmente arriveranno piu’ a lungo periodo…Partecipanti italiani:Urbino-FI, PD-TN, PI PG, GE

frequency

Cryogenic test facility at LNL

Risultati sperimentali

3 dischi di silicio sp. 0.3 mm incollati con il metodo del direct bonding

Dalle nostre misure preliminari

0 50 100 150 200 250

1E-6

1E-5

1E-4

Loss

Ang

le

Temperature [K]

695 Hz 896 Hz 4840 Hz 4845 Hz 6825 Hz

310Bond

210Bond

Richieste per Dual

R&D dissipazioni meccaniche: Silicio

• misurato angolo di perdita di wafer silicio 10-8 rad a 4K

• prime prove criogeniche su wafers di silicio bondati in corso

• utilita’ anche per interferometri

1 10 1001E-6

1E-5

3E-5

Coat

ing

Loss

Ang

leTemperature [K]

ModeIV: 776 Hz Mode V: 1285 Hz ModeVI : 1921 Hz

•Prime misure in collaborazione con Glasgow (UK) Jena (D)

Dissipazioni meccaniche di coating ottici su Si

100nm SiO2 on monocrystalline Si

Mode IV

Mode V

Mode VI

510CoatingPer Dual ottico viene richiesto (preliminare)

43 10102

SiOCoating

R&D dissipazioni meccaniche: specchi

VIRGO ADVANCEDCONFIGURAZIONE OTTICA

Signal Recycling

Cavità non degeneri di ricircolo di potenza

Fascio di luce più esteso sugli specchi

AdV BASELINE - SUMMARY

heavier mirrors(42 kg)

high finesse (≈1000)

larger beam waist

DC detection

signal recycling

new IPtilt control

new payload

fused silicasuspensions

high power SSL(200 W)

Padova , . Marzo , 2009 F. Ricci – La Sapienza –Roma

AdV Review - November 3rd, 2008 23

Virgo Super Attenuator

Passive attenuation

Active Controls

• ITF is operated as a resonant null instrument– FP cavities locked– Recycling cavity locked– Output on the dark fringe

• Extract GW signal from the correction signals (low freq.) and from residual fringe motion (high freq.)

• Stringent requirements: rms mirror motion not to exceed 10-11 m

• Mirror residual motion (normal modes of the suspension, Earth crust tidal and thermal strain) ~10-3 m

• Required dynamic range of the control system: >109

Can’t be done in a single stepCan’t be done in a single step

Hierarchical Active Controls on SA during operation

• Use of local sensors to damp the suspension resonances

• Use the ITF output as a correction signal: split it in bands, use actuators hierarchically

– Inertial Platform : 1 mm 0.1 mm

– Marionette: 1 mm 1 nm

– Mirror: 1 nm 10-12 m

ADC DSP DAC

Actuators

Accelerometers for inertial damping SA: Top Inertial Platform

positionsensors

27

Last stage and Payload

Piero Rapagnani3/11/2008

The role of the Last Stage Suspension is to compensate the residual seismic noise and to steer the optical components maintaining the relative position of the interferometer mirrors.

Payload Local Control

• Sistema di controllo attivo assetto della marionetta e dello specchio (posizione 1e-7m, allineamento 1e-7 rad) rispetto al laboratorio.

• Implementato da sistema di leve ottiche:

29

Payload Local Control Tests on Monolithic Payload Prototype

y

xz

Piero Rapagnani3/11/2008

Contributo PD-TN al Payload Local Control

Ad oggi il sistema di leve ottiche viene allineato a mano. Progettazione e realizzazione del sistema per il controllo

remoto dei microposizionatori dei componenti delle leve ottiche:

• Accoppiare i motori alle slitte• Sviluppo della logica di controllo dei motori…

Impegno previsto per il servizio elettronico dell’ordine di 6 mesi uomo per il prototipo e 3 mesi uomo per la produzione di tutti gli esemplari. Possibili richieste di supporto al servizio meccanico.

Test del prototipo a LNL

Inizio lavoro: fine 2009

Contributo PD-TN al Super-Attenuatore

Rifare il backplane e sistema di controllo dei motori in vuoto per la taratura di caratteristiche meccaniche in vari stadi del Super Attenuatore

Impegno previsto per il servizio elettronico dell’ordine di 6 mesi uomo per il prototipo e 3 mesi uomo per la produzione di tutti gli esemplari.

Inizio lavoro: fine 2009

Il servizio elettronico di Trento puo’ probabilmente farsi carico di uno di questi contributi.

• Le informazioni di distribuzione spaziale dell’intensita’ e fase del fronte d’onda del fascio in uscita dall’interferometro sono preziosissime per la diagnostica dell’interferometro.

Sviluppo di una Phase Camera

B1s

ref. beam

Un prototipo di tale “phase camera” e’ stato sviluppato, ma ha problemi di riproducibilita’.

La riprogettazione e la realizzazione di pochi esemplari di phase camera richiede competenze di elettronica a RF (essenzialmente una demodulazione a 80 MHz). Sto attivamente cercando il supporto di un fisico/ingegnere esperto ed eventualmente uno studente. Probabilmente si tratta di un impegno di qualche mese-uomo.

Schema di massima della phase camera